水泥路面接縫傳力桿偏差檢測及對比分析

陳 劍，李新凱，彭 鵬，馮德成

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150090；2.交通運輸部公路科學(xué)研究院, 北京 100088)

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水泥路面接縫傳力桿偏差檢測及對比分析

陳 劍1，李新凱1，彭 鵬2，馮德成1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150090；2.交通運輸部公路科學(xué)研究院, 北京 100088)

為了研究水泥路面接縫傳力桿各種偏差狀況，本文采用德國生產(chǎn)的MITSCAN2設(shè)備在黑龍江省北安至黑河高速公路的6個典型路段，共進行了142條接縫傳力桿偏差狀況的現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)采集工作。依據(jù)美國和加拿大制定的傳力桿偏差控制標(biāo)準(zhǔn)對檢測結(jié)果進行了評估，同時與美國伊利諾伊州兩條公路實際檢測數(shù)據(jù)進行了對比。結(jié)果表明：我國的DBI施工工藝尚處于起步階段，傳力桿偏差控制工藝需要提高；我國水泥路面?zhèn)髁U偏差類型主要包括：水平移動、水平偏轉(zhuǎn)、豎向移動、豎向偏轉(zhuǎn)、縱向移動5種類型；水平移動偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平為1.8%，而豎向偏轉(zhuǎn)偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平高達15.8%。

道路工程；水泥路面；技術(shù)措施；傳力桿偏差；接縫

0 引言

接縫傳荷能力對水泥混凝土路面使用性能有著重要影響，橫縫處設(shè)置傳力桿能夠明顯提高板間傳荷能力，降低板邊和板角處豎向變形，從而延緩錯臺發(fā)展速度，保證水泥路面的長期使用性能。國外一些現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果也表明，接縫設(shè)置傳力桿后，水泥路面錯臺和板角的開裂率都能夠明顯降低[1-3]。

近幾年我國開始將傳力桿布設(shè)到重載交通水泥路面橫向縮縫位置，由于傳力桿自動植入設(shè)備(Dowel Bar Inserter)能夠明顯提高施工效率，DBI方法2006年在廣東省首先應(yīng)用，目前DBI方法是我國水泥路面接縫傳力桿主要采用的施工工藝。然而，在施工過程中由于多種因素的影響，傳力桿并不能準(zhǔn)確達到理想的設(shè)計位置，導(dǎo)致傳力桿偏差的發(fā)生[4-6]。

因此，很多研究開始分析偏差的傳力桿對路面使用性能的影響。例如，Yu 等人在1998年通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)傳力桿偏差發(fā)生后對路面使用性能有著較大影響[1]。2005年，Lechner等人通過室內(nèi)試驗和理論分析發(fā)現(xiàn)傳力桿埋入深度<5 cm時，接縫傳荷能力將明顯降低，>10 cm時對接縫傳荷影響較小[7]。Leong等人在2006年通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)傳力桿豎向和水平偏轉(zhuǎn)對接縫處的剝落病害有著重要影響[8]。隨著傳力桿在我國接縫水泥路面的廣泛應(yīng)用，我國研究者也開始關(guān)注傳力桿偏差問題，2009年蔡海斌通過有限元模型分析了傳力桿偏差后對界面應(yīng)力和傳荷能力的影響[9]；2011年彭鵬，田波等人通過室內(nèi)拔出和重復(fù)彎曲試驗分析了不同偏轉(zhuǎn)程度的傳力桿工作性能狀況[10]。

上述分析表明，傳力桿偏差程度已經(jīng)成為影響水泥路面板間傳荷能力變化的關(guān)鍵因素。因此，為了降低傳力桿偏差的不利影響，研究人員開始針對傳力桿偏差的允許范圍進行研究。例如，2001年Lev Khazanovich等人在美國明尼蘇達州交通部支持下通過有限元和現(xiàn)場調(diào)查分析了傳力桿偏差的可接受范圍[11]。2006年，Milind L. Prabhu等人通過室內(nèi)試驗總結(jié)了傳力桿偏差控制的建議值[12]。同時，許多研究機構(gòu)開始頒布相應(yīng)的傳力桿偏差控制指南，例如2007年，F(xiàn)HWA美國聯(lián)邦公路管理局在多個工程實踐的基礎(chǔ)上提出了傳力桿偏差控制標(biāo)準(zhǔn)[13]；2013年，美國水泥路面協(xié)會ACPA針對DBI設(shè)備的廣泛應(yīng)用，提出了DBI植入傳力桿的偏差控制標(biāo)準(zhǔn)[14]。

雖然傳力桿植入工藝DBI已經(jīng)在我國開始廣泛應(yīng)用，然而，關(guān)于我國的傳力桿偏差狀況尚缺少實際數(shù)據(jù)分析。為此，本文采用德國生產(chǎn)的專門用于傳力桿三維定位檢測分析的MITSCAN2設(shè)備對北黑高速公路典型路段(108條接縫)進行現(xiàn)場檢測，基于美國ACPA的傳力桿偏差控制指南進行評估分析，并與美國伊利諾伊州的兩條路段的實際檢測結(jié)果(23條接縫)進行了對比分析。

1 傳力桿偏差類型

傳力桿偏差主要在以下兩個過程產(chǎn)生，一是傳力桿在施工過程；二是路面在使用過程中。施工過程中傳力桿偏差是目前的主要原因，路面使用過程中產(chǎn)生的偏差主要是由于接縫處在外部環(huán)境和荷載作用下導(dǎo)致傳力桿松動發(fā)生而形成的偏差。

1986年，美國學(xué)者Tayabij針對傳力桿偏差問題，將其劃分為5種類型[15]，如圖1所示。

圖1 傳力桿偏差的5種類型Fig.1 Five types of dowel bar deviation

由圖1可以看到，傳力桿偏差的5種類型分別是：(1)水平偏轉(zhuǎn)；(2)水平移動；(3)豎向偏轉(zhuǎn)；(4)豎向移動；(5)縱向移動。需要說明的是，傳力桿施工過程中發(fā)生的偏差是5種基本偏差類型的組合。

2 傳力桿偏差控制標(biāo)準(zhǔn)

我國在水泥路面施工過程中對傳力桿的位置也提出了具體要求，但僅規(guī)定了傳力桿的偏斜誤差，并沒有提出其他類型的傳力桿偏差控制標(biāo)準(zhǔn)[14]。目前，美國和加拿大關(guān)于傳力桿偏差控制標(biāo)準(zhǔn)的研究較多，相應(yīng)的技術(shù)協(xié)會也提出了不同的標(biāo)準(zhǔn)，例如加拿大安大略省2006年頒布了傳力桿偏差的控制指標(biāo)，隨著DBI施工工藝在美國的廣泛應(yīng)用，美國水泥路面協(xié)會ACPA在2013年提出了針對DBI工藝的傳力桿偏差控制指南[16]，如表1所示。

表1 中國、加拿大和美國關(guān)于傳力桿偏差控制指標(biāo)

由表1可以看到，兩種方法的主要差別是關(guān)于縱向移動的控制指標(biāo)有差別，同時兩種方法都沒有給出水平移動偏差的控制指標(biāo)，這主要是已有研究表明水平移動偏差對水泥路面接縫行為的影響并不明顯，因此在評估接縫傳力桿偏差時都忽略了該種偏差類型。參照表1中的兩種偏差控制指標(biāo)，本文給出了所采用的評估標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 本項目采用的評估標(biāo)準(zhǔn)

3 現(xiàn)場調(diào)查

自從傳力桿應(yīng)用以來，研究者開始嘗試用不同的檢測方法來獲得傳力桿位置，例如回彈信號、鋼筋定位儀、探地雷達等，然而這些方法均不能準(zhǔn)確提供傳力桿的三維空間位置并給出偏差量值。2001年，德國針對傳力桿的三維位置檢測，將電磁斷層掃描技術(shù)用于傳力桿偏差檢測，獲得了較好的效果，并開發(fā)了相應(yīng)的檢測設(shè)備MITSCAN2，該設(shè)備不僅能檢測現(xiàn)有水泥路面，甚至可以檢測新澆注水泥路面中的傳力桿位置[12]。2003年，lev Khazanovich等人第一次應(yīng)用MITSCAN2檢測了美國加利佛尼亞州的水泥路面?zhèn)髁U狀況[17]，美國聯(lián)邦公路局對該設(shè)備進行了評估，并通過現(xiàn)場開挖對MITSCAN2設(shè)備的檢測精度進行了驗證，發(fā)現(xiàn)豎向誤差滿足±3 mm，水平向誤差滿足±2 mm，因此認為該設(shè)備能夠獲取傳力桿的準(zhǔn)確位置[18]。2006年，Shabbir Hossain等人在美國弗吉尼亞州進行了應(yīng)用，認為該設(shè)備具有界面友好、檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)點[19]。上述應(yīng)用表明，在傳力桿偏差檢測方面，MITSCAN2設(shè)備是唯一的能夠獲取傳力桿空間位置，并給出相應(yīng)5種偏差類型的設(shè)備，因此本文中也采用該設(shè)備完成了黑龍江省北安至黑河高速公路(北黑高速公路)接縫傳力桿偏差的檢測。

北黑高速公路是黑龍江省修筑的第一條縮縫均布設(shè)傳力桿的水泥路面，傳力桿的植入方式采用DBI工藝。采用MITSCAN2設(shè)備共計完成了6個典型路段(每個路段約1 km)的142條接縫傳力桿偏差檢測，現(xiàn)場檢測及程序輸出結(jié)果如圖2所示。

4 檢測結(jié)果分析

依據(jù)本文提出的評估標(biāo)準(zhǔn)對傳力桿偏差檢測結(jié)果進行評估，6個典型路段傳力桿的水平偏轉(zhuǎn)、豎向偏轉(zhuǎn)、縱向移動和豎向移動偏差分布如圖3所示。

由圖3可以看到，6個路段傳力桿的主要偏差各有不同，總體來看豎向偏轉(zhuǎn)在6個典型路段中都比較嚴重，個別路段的豎向偏轉(zhuǎn)偏差>25 mm的比例達到了80%左右，豎向移動偏差也較為嚴重，路段3和路段4的傳力桿偏差狀況最為嚴重。

5 對比分析

美國伊利諾伊州兩個水泥路面路段的23條接縫也是采用該設(shè)備進行的傳力桿檢測，這里采用本文的評估標(biāo)準(zhǔn)對北黑高速和美國伊利諾伊州的接縫傳力桿偏差進行了匯總，如圖4～圖8和表3所示。

由圖4～圖8和表3的對比可以得到如下結(jié)論：

(1)與國外高質(zhì)量施工水平相比，DBI施工工藝在我國尚處于起步階段，傳力桿偏差控制工藝需要提高。

(2)水平移動偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平，在美國和北黑高速比例分別是0%和1.8%，說明DBI工藝能夠較好控制水平移動偏差。

圖2 MIT Scan-2在北黑高速的應(yīng)用Fig.2 MIT Scan-2 applied in Beian-Heihe expressway

圖3 6個典型路段的傳力桿偏差檢測結(jié)果分布Fig.3 Dowel deviation detection result of 6 typical sections

圖4 北黑高速和美國伊利諾伊州公路接縫傳力桿偏差對比(水平移動)Fig.4 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(horizontal movement)

圖5 北黑高速和美國伊利諾伊州公路接縫傳力桿偏差對比(縱向移動)Fig.5 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(longitudinal movement)

圖6 北黑高速和美國伊利諾伊州公路接縫傳力桿偏差對比(豎向移動)Fig.6 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(vertical movement)

圖7 北黑高速和美國伊利諾伊州公路接縫傳力桿偏差對比(水平偏轉(zhuǎn))Fig.7 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beian-Heihe expressway and US Illinois highway(horizontal deflection)

圖8 北黑高速和美國伊利諾伊州接縫傳力桿偏差對比(豎向偏轉(zhuǎn))Fig. 8 Comparison of deviations of joint dowel bars of Beihei-expressway and US Illinois highway(vertical deflection)

(3)縱向移動偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平在美國和北黑高速分別是1.1%和5.6%，不可接受水平和可接受水平之間比例分別是12.4%和29.3%，傳力桿縱向移動和切縫位置密切相關(guān)，因此可以通過切縫位置控制降低這部分偏差。

(4)豎向移動偏差方面美國和中國有著較大的差別，兩者不可接受水平分別為0.8%和2.9%，但兩者在不可接受和可接受水平之間比例分別為3.8%和41.3%，圖6顯示在北黑高速豎向移動偏差為正值(25～66 mm)比例達到了39.8%，由該設(shè)備測量原理可知，偏差為正值主要是由于實際板厚大于設(shè)計板厚導(dǎo)致，對于路面使用性能是有益的。

表3 北黑高速與美國Illinois州公路傳力桿偏差分布對比

(5)水平偏轉(zhuǎn)偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平在美國和北黑高速分別為2.2%和33.8%，兩者之間存在著較大差別，原因尚不明確。

(6)豎向偏轉(zhuǎn)偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平在美國和北黑高速分別為8.2%和15.8%，不可接受和可接受水平之間的比例分別為17.3%和34.3%，說明無論在我國還是在美國，傳力桿的豎向偏差都是比較嚴重的，也是DBI施工過程中難以控制的，應(yīng)該加強該方面的研究。

6 結(jié)論

傳力桿偏差控制是接縫水泥路面施工過程的重要環(huán)節(jié)，隨著DBI方法近幾年在我國開始應(yīng)用，傳力桿偏差狀況尚不清楚。因此，本文采用MITSCAN2設(shè)備對黑龍江省北黑高速公路的典型路段傳力桿偏差狀況進行了檢測分析，發(fā)現(xiàn)在我國傳力桿偏差問題較為嚴重，尤其是豎向移動和豎向偏轉(zhuǎn)兩種偏差類型。同時與美國伊利諾伊州兩條公路實際檢測數(shù)據(jù)進行了對比，結(jié)果顯示我國在水泥施工過程中的傳力桿偏差控制方面存在較大差距，除了水平移動偏差外，我國的其他類型偏差都較為嚴重。

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Detection and Comparative Analysis of Deviation of Cement Pavement Joints

CHEN Jian1, LI Xin-kai1, PENG Peng2, FENG De-cheng1

(1. School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150090, China;2 . Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China)

In order to investigate the deviation status of joint dowel bar in cement pavement, by employing Germany MITSCAN2 equipment in 6 typical sections of Beian-Heihe expressway in Heilongjiang Province, the field test and data acquisition on 142 joint dowel bars are conducted. Then, the test data are analyzed and evaluated according to the control standards of dowel bar deviation proposed by United States and Canada, and the evaluation result is compared with the actual test data of 2 highways in Illinois, US. The test result shows that the DBI construction technology in China is still in the initial stage, and the deviation control technology of dowel bars needs to be improved. The main types of deviation of the cement pavement dowel bars in China include horizontal movement, horizontal deflection, vertical movement, vertical deflection, and vertical movement. Horizontal movement could result in the unacceptable level of 1.8%, and the vertical deflection could cause the unacceptable level as high as 15.8%.

road engineering; cement pavement; technical measure; dowel bar deviation; joint

2015-10-12

國家自然科學(xué)基金項目(51108140)；黑龍江省交通運輸廳科技項目(HLJJT-2011-009)

陳劍(1980-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生.(chenjian462@sina.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.010

U416.21

A

1002-0268(2016)12-0062-06